第七章 压电式传感器

信号检测与变换第七章压电式传感器第七章压电式传感器主要内容：压电式传感器的工作原理压电式传感器的等效电路压电式传感器的信号调节电路第七章压电式传感器什么是压电式传感器？压电式传感器是一种有源传感器，它是以某些物质的压电效应为基础实现能量转换。它可以用于力、加速度、速度、振动以及流量等参数的测量。压电式传感器的特点灵敏度高结构简单工作可靠信噪比高7.1压电式传感器的工作原理压电式传感器利用介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面产生电荷，从而实现非电量测量的目的压电效应某些电介质，当沿着一定方向受到拉力或压力作用而发生变形时，内部产生极化现象，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应也称为正压电效应，可将机械能转换为电能7.1压电式传感器的工作原理逆压电效应与正压电效应相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。逆压电效应可将电能转换为机械能具有压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等利用逆压电效应可以制成电激励的制动器（执行器）；基于正压电效应可制成机械能的敏感器（检测器），即压电式传感器。7.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理就是利用某些电介质的正压电效应，将被测量的变化转换为力的变化，当力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）的输出。压电式传感器的工作过程被测量——力——电荷被测量的认识过程电荷（或电压）——力——被测量7.1.1压电效应石英晶体石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。7.1.1压电效应沿x轴方向施加作用力x轴：平行于正六面体的棱线，称为电轴沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。当沿电轴方向施加作用力Fx时，则在与电轴垂直的YOZ平面上产生电荷Qx，它的大小为电荷Qx的符号视Fx是受拉或受压而决定。切片上产生的电荷的多少与切片的几何尺寸无关7.1.1压电效应沿y轴方向施加作用力y轴：垂直于正六面体棱面，称为机械轴沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。电荷仍出现在YOZ平面上，但极性方向相反，电荷的大小为7.1.1压电效应沿机械轴方向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体切片的尺寸有关沿y轴的压力所引起的电荷极性与沿x轴的压力所引起的电荷极性相反沿z轴方向施加作用力z轴：通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴沿光轴方向受力不会产生压电效应。7.1.1压电效应晶体切片上电荷符号与受力方向的关系7.1.1压电效应石英晶体的压电效应7.1.2压电常数和表面电荷的计算压电元件在受到力的作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。任意受力表面电荷密度方程组7.1.2压电常数和表面电荷的计算压电材料的压电特性可以用压电常数矩阵表示石英晶体

7.1.2压电常数和表面电荷的计算对能量转换有意义的石英晶体变形方式7.1.2压电常数和表面电荷的计算厚度变形（TE方式，纵向压电效应）长度变形（LE方式，横向压电效应）7.1.2压电常数和表面电荷的计算面剪切变形（FS方式）厚度剪切变形（TS方式）弯曲变形（BS方式）弯曲变形不是基本的变形方式，而是拉、压应力和剪切应力共同作用的结果。应根据具体的晶体的切割及弯曲情况选择合适的压电常数进行计算7.2压电材料转换性能：具有较大的压电常数机械性能：强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率电性能：高的电阻率，大介电常数，以期减弱外部分布电容的影响，获得好的低频特性温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期获得较高的工作温度范围时间稳定性：压电特性不随时间蜕变7.3压电式传感器的等效电路压电式传感器有两种等效电路电荷等效电路电压等效电路7.3压电式传感器的等效电路压电式传感器放大器输入端等效电路电压等效电路电荷等效电路7.3压电式传感器的等效电路压电片的连接方式并联电压不变电荷量为2倍电容2倍串联电压2倍电荷量不变电容一半－＋＋＋＋－－－7.4压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须很大，因此通常的压电式传感器后信号调节电路的接法是：压电式传感器输出——高输入阻抗的前置放大器——放大电路或其他电路压电式传感器的测量电路的关键在于高阻抗的前置放大器把压电式传感器的微弱信号放大高阻抗到低阻抗输出变换压电式传感器的前置放大器有电压型和电荷型两种形式7.4.1电压放大器（阻抗变换器）传感器与电压放大器连接的等效电路等效电阻 等效电容7.4.1电压放大器（阻抗变换器）若作用在压电元件上的力F为压电系数为d，则在F的作用下，产生的电荷电流i为输入电压为7.4.1电压放大器（阻抗变换器）前置放大器的输入电压幅值为输入电压与作用力之间的相位差为理想情况下，前置放大器的输入电压幅值为7.4.1电压放大器（阻抗变换器）7.4.1电压放大器（阻抗变换器）当作用在压电元件上的力是静态力时，则前置放大器的输入电压等于零。这也就从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。当